2.4.2003Informationstag Austrocontrol Die Fingerprint Technik der VERA University of Vienna...

2.4.2003 Informationstag Austrocontrol

Die Fingerprint Technikder

VERA

University of Vienna Department of Meteorology

and Geophysics

von Matthias Ratheiser

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Inhalt des Vortrags1.) Grundlage der Methode

2.) Implementierung in ein Interpolationsverfahren

3.) Das physikalische Modell hinter dem thermischen Fingerprint4.) Fallstudie

5.) Der dynamische Fingerprint

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-2

0

2

4

6

8

10

12

14

1 2 3 4 5 6 7

räumliche Achse

rela

tive

Änd

erun

g

nicht erklärt

erklärt

Interpolation

Messungen

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

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Ansatz der slpine-funktion nach Reinsch (thin plate spline):

A

n

1k

2kOkAk JxxwI

dx

x)(J

13

1

2

2A

2

A

mit

Wir ersetzen O durch fehlerkorrigierten Wert: O O*

und fordern, dass A - O* = 0 ist.

Penalty-Funktion wird alleineminimiert

Kostenfunktion Penaltyfunktion

Analyse geht durch modifizierte Messwerte

(Index A: analysiertes Feld; Index O: Beobachtungen)

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...xxcxxcxx ddmmUA

Aufspalten der Stationswerte:

Mit GebirgseinflussNicht erklärbarer Anteil

bekanntes, idealisiertes Felddes Gebirgseinflusses

wichtiger Skalierungsfaktor

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Beispiel für die Quantifizierung des thermischen Einflusseseines Gebirges auf ein

Bodendruckfeld

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Höheninformation:Topographie der Alpen in 1km Auflösung

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Physikalische Annahmen

•reduziertes Luftvolumen und Lage der Heizflächen im Tal

•3D-Netz im Alpenraum: dx = 20kmdy = 20kmdz = 500m

•konkrete Domäne1581km x 1161km x 4500m

•Berücksichtigung der Stabilität der Luft

Wichtige Größe!

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20kmSchema zur Berechnung der mittleren Topographie

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•Ausgangswerte: Standardatmosphäre T für leeres Element aus Strahlungs-

heizung für mittlere Höhe und horizontale Fläche (Dauer 6 Stunden)T wird erhöht um den Faktor der VolumenreduktionT wird vermindert um den Faktor der FlächenreduktionT wird verändert durch eine Dichte- korrektur

diskretes Temperaturprofil mit 9 Stützstellen

150 W/m2

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Korrektur für überadiabatische Gradienten

Umrechnung für Druck:hydrostatische Beziehungab Schicht 5, wo T=TS T dazubis Erdbodenweiter reduzieren für PMSL

5

(Standard)

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Fallbeispiel: Kältehoch vom 31.3.2002 um 03 UTC

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ohneFinger-print

mitFinger-print

31.3.2002, 03 UTC

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station PMSL station PMSL

1 1025.9 6 1022.4

2 1021.3 7 1022.5

3 1020.3 8 1023.4

4 1021.3 9 1023.8

5 1023.9

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„Synoptischer“ Anteil Gebirgsanteil

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units: hPa, n=260

With Fingerprints

Without Fingerprints

Maximum difference 2,57 9,82

Minimum difference -1.22 -4,86range 3,79 14,68

Mean value 0,13 0,25Standard deviation 0,34 0,43

RMS 0,36 0,50

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Der dynamische Nordströmungs-Fingerprint

•Konstanter Druckgradient von Norden nach Süden von 1 hPa/km•Anbringen einer iterativen gewichteten Mittelung:

8

18

1

1i

ii

ii

pww

p mit

mh

i

i

ew 1500

wi = 1.0 bei hi = 0 m … wi = 0.13 bei hi = 3000 m

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• Die Fingerprints ermöglichen ein Mehr an Information in einer höheren Auflösung im Vergl. zu den reinen Messungen.

• Zusatzwissen über die Beeinflussung der Bodenfelder wird durch ein physikalisches Modell quantifiziert.

• Die Faktoren werden für jeden idealisierten Fingerprint an allen Punkten berechnet.

• Die Faktoren skalieren das idealiserte Feld an die aktuellen Verhältnisse.

• Die Analysen zeigen mesoskalige Details und werden objektiv verbessert.

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Zusammenfassung

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit !

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Die Fingerprints und aLMo VERA aLMoaus 1km Topographie aus 7km Topographie

10km-FiPri durch Mittel der Min.top.zum downscaling des pmsl Feldes beider Interpolation auf regelm. Gitter

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